Transcript 第7回 センシング技術センサーネットワーク技術

講義日程予定
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第 1 回 「ガイダンス」
第 2 回 「ユビキタスシティ検討ワーキング中間とりまとめ」
第 3 回 「次世代ネットワーク技術：情報家電」
第 4 回 「次世代ネットワーク技術：ホームネットワーク」
第 5 回 「次世代ネットワーク技術：インターネット技術」
第 6 回 「次世代ネットワーク技術：次世代インターネット技術」
第 7 回 「次世代ネットワーク技術： P2P/アドホックネットワーク」
第 8 回 「センシング技術：センサネットワーク」
第 9 回 「センシング技術：RFIDと測位技術」
第10回 「富士通のユビキタス事業紹介」
第11回 「サービスアーキテクチャ：基盤ソフトウェア技術」
第12回 「サービスアーキテクチャ：XML技術」
第13回 「内田洋行のユビキタス事業紹介」
第14回 「サービスアーキテクチャ：プライバシとセキュリティ」
第15回 「期末定期試験」
2006年度前期
情報システム構成論2
第8回 「センサーネットワーク技術」
西尾 信彦
[email protected]
立命館大学 情報理工学部
センサネット研究の背景 （１）
• 情報処理機能と通信機能をあわせもつ移
動携帯端末の一般化
– 携帯電話、情報家電、インタネットカー、セン
サネットワーク
– 単独利用されていたものを協調的利用へ
• 新しいアプリケーションの可能性と必要性
– 広告、パーソナルナビゲーション、広域情報収
集、コンテキストアウェアアプリケーション、etc.
– 災害対策、環境調査、etc.
センサノード H/W-S/W プラットフォーム
ノード内処理
近隣のノードと無線通信
イベント検知
音、震動、イメージ温
度、湿度、人感知, sensors
etc. I/F
CPU
battery
radio
無線通信I/F
限定的なバッテリ供給
エネルギー効率が ハード/ソフト デザインの基準
センサネット研究の背景 （２）
• モバイルアドホックネットワーク(MANET)の
研究
– ルーティング(DSR, CMU)、フラディッング制限、
動的クラスタリング
• センサネットワークの研究
– シフト方式による省電力(span, MIT)、データセン
トリック、属性名前付け、in-network処理
(Directed Diffusion, UCLA)
• 移動体通信端末を用いたアプリケーション
– アクティブポスタ(IBM)、交通量調査(ICAR)
センサネットワークの構成
Wired
Infrastructure
Wireless
Sensor Network
Sensor coverage range
Rs
Sink node
Sensor node
Interest
Rw
Wireless communication range
センサネットワークの特徴
•データ転送はデータ指向、特定なノードにコネクション
を張らない
–どのノードと通信するかはイベントが起きるまで不明
–イベント後もどのノードに起きているかは不明
•物理世界を観察する／操る
•センサインプットによってネットワークが行っている処理
は動的に変化する
•アプリケーションごとにソフト/ハード環境が変化
•センサノード移動に対応
•電池駆動のための省エネルギー機構
センサネット技術関連研究動向
属性ベースルーティング
省電力指向ネットワーク構成管理
ノード位置測位技術
属性ベースルーティング
• MANET環境＋データセントリック
– インフラなしの無線ネットワーク環境
– センサネットワークを構築
– 属性ベースのデータをフラディングで問い合わせ
– 「興味のある」データをもつセンサノードが返答す
る
Ex. Directed Diffusion@ISI
• SinkノードからのInterestのフラディング
• マッチしたセンサノードがリプライパケットを転送
• 届いたリプライに対するSinkノードからのリクエスト
の継続(refresh)
• 中継ノードがリクエストとリプライの行き来からルート
を「補強しつつ」構成する(reinforcement)
• ロバストなデータ配送を実現
省電力指向ネットワーク構成管理
• 電池駆動の無線ネットワークノードによるMANETを
構成
• 電池消費を低減し，その消費のノードによる偏りを
低減する
• 802.11のPower Save Modeでスリープとポーリン
グにより周期的に通信する．
– 消費電力比較
•
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•
•
送信 1400mW
受信 1000mW
アイドル 830mW
スリープ 130mW
– Base-station modeからAd-hoc modeへ
Ex. Span@MIT
• MANET環境では，PSMは全部のノードでは利用で
きない
– PSMではないノードがいてパケットを中継しなければなら
ない
• PSMにならないノードを，
–
–
–
–
ある規則で確率的に決め，
それを時間的に交代させて，
できるだけ多くのノードをPSMに移行させて，
全ノードの電池消費を平滑化する
Spanの自律的構成機構
• 任意のノード間のルートのホップ数が増えないよ
うに，
• HELLOパケットのみによるローカル情報の交換
のみで自律的に動作
• 自分がcoordinatorになる条件「自分の近傍の
ノード内に通信できないペアがある」で，電池残
量，近傍ノード数に応じた遅延を入れて立候補
する
Our Approach:
Hot-spot Clustering
• 興味のあるイベントが発生している地域をhot-spot
と呼ぶ
– Hot-spot近傍で移動クラスタを動的に構成する
– そのイベントを直接センスするノードがcluster-center
– Cluster-centerの隣接ノードがcluster-frontier
• Cluster-center:
– Interestリクエストに対するIn-Network処理
• Cluster-frontier:
– PSMに移行しない
– Cluster-centerに移行するのに備える
Software “Hopping” for
unintentional movement support
Software-layer
Mobile node-layer
Field-layer
Hot-spot Cluster
• 自律的に構成される移動クラスタ
• 興味のある事象の移動や，センサノード自身の移動
により移動性をもつ
• リプライパケット(Event sample)の返信をclustercenter間でIn-Network処理する
クラスタプロトコルの仕組み
Rs
Rw
Cluster-center mode
Cluster-frontier mode
Idle mode
Interest
クラスタプロトコルの状態遷移
Entering interest sensing range
CLUSTER-CENTER MODE
Receiving
initial flooding
Leaving interest
sensing range
Beacon time-out
CLUSTER-FRONTIER MODE
Receiving HELLO beacon
Transition caused by signal
Transition caused by movement
Transition caused by timeout
IDLE MODE
省電力指向ネットワーク構成
• Spanのcoordinator-networkをベースにする
• CoordinatorでもPSMに移行する
– フラディングパケットの送受信ではPSMのまま
• Non-coordinatorでもPSMに移行しない
– ホットスポットクラスタを構成した場合は，PSMに
移行しない
Simulation Study
• NS-2を用いたシミュレーション環境を構築
– 802.11b + Span (modified) + DD (modified)
+ Hot-spot clustering
In-cluster processing
• クラスタ内でIn-network processingのデー
タ集約処理を行なう機構
• クラスタ内でデータの集約や稼動させるセ
ンサノードの選定を行なう
センサノードのバッテリー資源の節約や
冗長パケット送出の低減を目的とする
従来のセンサネットワークにおけるデータ
フロー図
イベント
センサノード
中継ノード
Sinkノード
データフロー
In-cluster processingを適応したセンサネッ
トワークのデータフロー図
イベント
センサノード
クラスタ内
Sinkノード
中継ノード
Sinkノード
データフロー
同一クラスタ
クラスタ内Sinkノード
• 同クラスタ内でデータ集約を行なうノードである
• クラスタ内Sinkノードは同クラスタ内に一つ以上
存在している必要がある
• Sinkノードにパケットを送出するのは、クラスタ内
Sinkノードのみである
• クラスタ内Sinkの役割は状況に応じて、同クラス
タ内のセンサノード間で遷移する
センサノードの状態遷移図
クラスタ内Sinkの役割を果たした
バッテリー残量が少なくなった
クラスタ
内Sink
Sinkノードへ
データ転送を行なう
センシング可能
範囲を外れた
センシング
不可能ノード
センシング
可能ノード
クラスタ内Sinkノードに
選出された
センシング可能
範囲に入った
センシングを行なう
処理負荷が高い
↓
バッテリー消費が大きい
処理負荷が低い
↓
バッテリー消費が小さい
センサネット技術性能評価環境
• 実機によるプロトコル/アプリケーションの実装/評価
– これまではネットワークシミュレータを利用
– 実機による評価はどうしても外せない
• 実際にはかなり実現が困難
– 全ノードが移動性をもつこと
– ノードの数，動き回る範囲
– 電波障害，干渉の制約
• 実機を用いて容易に評価できる環境の構築
– 複合現実アプローチ： N-1 Network Simulation
– 空間的/時間的スケーラブルワークベンチ： Multi-Hop on
Table-Top
N-1 Network Simulation: A MixedReality Approach for Wireless Ad-hoc
Network Performance Evaluation
Nobuhiko Nishio
Eiji Takimoto
Gaute Lambertsen
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Japan Science and Technology Agency
PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology
Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science
1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan
Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669
N-1 Network Simulation
Virtual packet
Virtual packet
into real world
Virtual packet
from real world
Correspondent host
Simulated world
Real world
Real packet from
simulated world
Real packet into
simulated world
Simulator host
Real mobile host
N-1 Network Simulation:
Representation of a real node in a virtual world
SIMULATED OBJECTS
REPRESENTATION OF REAL NODE
N-1 implemented over ns-2 platform
• Network simulator 2 (ns-2) emulation
functionality
– Real-time scheduler
– Packets retrieved by Tap object
– Packets transmitted by Network agent
• Wireless network extensions
– Examination of packet arrival
– Support for node mobility
• Input of node mobility
• Reflection of node mobility in the simulation
– Reflection of radio signal strength
Simulator host, IP: 10.10.10.100, MAC: PCMAC…
Simulator node 1
ID1
IP: 10.10.10.1
Create header
(ether, ID, ICMP)
PCMAC: SimIP
ARP response
Ad-hoc
wireless interface
Reply
Zaurus
Simulator node 2
ID2
IP: 10.10.10.2
Virtual reflection
Retrieve and analyze packets for
ID1 and ID2
ID:ID(MAC)
--------------Ping
:ID(MAC)
ARP request
Actual node
IP: 10.10.10.10
MAC: …
[email protected]
03
Current work
• Static -> Mobile virtual nodes
– Simulation nodes move
– Reflection of variations in signal strength inside the
simulator
• Mobility support for the real node
– Simulated mobility through the user interface
• Additional wireless signal interfaces
• Virtual mobility reflected by changes in received signal strength
Wireless
interfaces
Simulator platform
Variation in distance/signal
strength over wireless link
Real node
Multi-Hop on Table-Top:
A Spatially/Temporally Scalable Workbench
for Ad-hoc/Sensor Network Systems
Gaute Lambertsen, Yu Enokibori, Kazuhiro Takeda,
Kiyoto Tani, Koji Shuto and Nobuhiko Nishio
{gaute, vori, tiku, kiyo, shuma,nishio}@ubi.is.ritsumei.ac.jp
Japan Science and Technology Agency
PRESTO 21: Precursory Research for Embryonic Science and Technology
Ritsumeikan University, Dept. of Computer Science
1-1-1 Noji-Higashi, Kusatsu-shi, Shiga 525-8577, Japan
Tel. +81-77-566-1111 (Ext. 7466), Fax. +81-77-561-2669
スケーラブルな実機評価環境の実現
• 空間的スケーラビリティの確保
物理的に通信可能な範囲にいたとしても、あたかも
通信不可能な範囲に存在するかのような擬似的空
間を作り上げる
• 時間的スケーラビリティの確保
各ノードにおける隣接ノードの遷移状況の変化など
を手がかりに、時間的なプロトコル制御パラメータを
適切に設定する
強制的に通信を不可能にした
空間的スケールダウン
累積分布(%)
LINK_HYSTERESIS_GAP=11
LINK_LIMIT=-49
１５ｃｍ
３０ｃｍ
４５ｃｍ
６０ｃｍ
７５ｃｍ
９０ｃｍ
１０５ｃｍ
１２０ｃｍ
１３５ｃｍ
１５０ｃｍ
１６５ｃｍ
１８０ｃｍ
１９５ｃｍ
２１０ｃｍ
２２５ｃｍ
２４０ｃｍ
２５５ｃｍ
２７０ｃｍ
信号強度
(dB)
Have you ever seen a real multi-hop network
working?
Now, you can see it on our table-top.
See you at our booth!!!
Which for which?
シミュ
レーショ
ン
人間の手間 ○
scalability
リアルさ
△
(ロジック)
N-1
MH-onTT
実機
○
○
×
○
◎
◎
リアルさ
△
(数値性能)
△
○
◎
センサネットワーク支援機構
•
イベントエミュレータ
ユーザが欲するデータもしくはイベントデータを散布する機能
•
センサエミュレータ
イベントエミュレータから散布されたイベントデータを選択的にセンスする機能
以下の支援機構は評価対象となるアプリケーションに依存するため、
独自に用意する必要がある
•
Sink
イベント付近のノードのセンサエミュレータがセンスしたデータを最終的に受け取
るノード
•
Query dispatcher
センスすべきイベントの条件を記述したqueryをfloodingにより配信する機能
•
Clustering protocol
クラスタを形成し、センシングを効率化したり、作業の省電化などをサポートする
プロトコル
Query Flood
Sample Data
Transmission Range
Sink Node
CN: Idle
5
Query Dispatcher
1
CN: Frontier
CN: Center
Cluster Node: Idle
CN: Center
CN: Frontier
1 Query flooded to network
2 Cluster Centers gather data
3 In-Clustering processing
4 Sample data transmitted to sink
5 Sample data processed at sink
4
3
2
Event
机上プロトタイプ
• 無線移動端末
– PDA × 2
– WiFi Ad-Hoc Mode
• 無線固定端末
– ノートPC × 5
– 有線LANで相互に接
続
– WiFi Ad-Hoc Mode

Multi-Hop on Table-Topを全ノードに適用

無線通信範囲を数十cmに制限し，スケールダウン
Personal Navigation
中継地点
初期位置
目的地
• PDAはノートPCに
自分の現在位置と
目的地を伝える
• ノートPCがPDAの
目的地がどの方角
かを計算し，PDAに
通知する
• PDAの画面に目的
地の方角（矢印）が
リアルタイム表示さ
れる
Smart Advertising
• PDAの移動履歴に
応じて，同じ場所で
も異なる広告が
ノートPCから配信
される
• コンテキストに基づ
く効果の高い広告
を配信する
異なる情報が配信される
Security System on street
• 学童からのSOSを受信した
近隣家庭の住民が現場に駆
けつける地域セキュリティモ
デルに基づく
• PDAが発したSOSが少なく
とも1台のノートPCに届いて
いれば，設定半径内の全
ノートPCが確実にSOSを受
け取ることができる
– 有線LANを経由してノートPC
写真内の3台のノートPCが設定 間でのSOSを受け渡し
半径内 ＝ SOSを受信中
※設定半径はPDAから変更可能
西尾研でのフィールドワーク
携帯電話ネットワーク
ホットスポット
アドホックネットワーク
one-hop無線
1基地局のカバーエリアは
10Km四方
無線バンド幅は数10kbpsか
ら数100kbps
サービスは携帯端末のみ(基
地局はアンテナ)
one-hop無線もしくは有線
1基地局のカバーエリアは数
10m四方
カバーエリアの隙間により移
動ユーザには不向き
無線バンド幅は数Mbpsから
数10Mbps
ネットワークコネクティビテ
ィのみ提供
multi-hop無線
端末のある限りカバー
N-hopするとバンド幅は数
Mbps/Nに
インフラ不要
接続の信頼性が低い
ハイブリッドネットワーク技術による利点
Multi-hop無線もしくは有線
1基地局のカバーエリアは数10m四方，Multi-hop
無線でエリア拡大し移動ユーザに対応
N-hopすると無線バンド幅は数Mbps/Nに，しか
しアドホックよりも短かいホップで基地局に到達
携帯端末以外に基地局と連携したサービス提供
基地局がランドマークとなり位置情報機能を実現
，近接事象のコンテキスト適応サービスに向く
市街地ネットワーク概要
①
②
中継
移動
無線サブネット
光ファイバー
インターネット接続
無線LAN
インターネット
無線サブネット
③
インターネット経由で
別の無線サブネットへ
接続
④
西大津地域防犯システム
• 産学民で地域防犯システム立ち上げ
– 京都，毎日，日経，電波，日刊工業ほか各紙
2004/11/09
– オプテックス，立命，OWCPの連携
• 内部に「人間」の埋め込まれたシステム構築
を目指す
WOWnet: 西大津地域防犯
ロードマップ
システム導入背景
• 近年の子供を狙った犯罪の多発。
• その原因のひとつに地域内のコミュニケーショ
ンの希薄化がある
– 地域全体の防犯に対する意識を高めたい。
– 地域内コミュニケーションの活性化に努めたい。
– 住みやすい、安全な街づくりを。
ＩＴの力を最大限利用し、地域で犯罪を防ぐシステムの実現
システム概要
地域防犯システムの概要
• 子供，親，ＯＷＣＰ(自警団)にそれぞれに
– デバイス，ソフトウエアを与えサービスを提供する
– 子供が小学校に入ったら基地局を立てよう
• 段階的なサービス構成
– サービスのレベル，子供の持つデバイスのレベル，価格
– 選択肢をいくつか用意し、ユーザーに選ばせる。
• 将来的にはIPv6を子供の携帯機器に付与
– セキュアなEnd-to-end通信，効率的な近接通信
• 子供の緊急時
– 周辺の家に危険信号を発信し
– 犯罪の起こった現場の近隣住民に現場に駆けつけてもらう
ことで犯罪の発生を防止する。（不安信号も考慮中）
– 地域コミュニティー参加の機会を提供
将来的なサービス展開
• 犯罪がおこった時に近くにいる子供を安全な場所に
誘導する機能
• 普段子供に持ち歩かせることができるようなエンター
テイメント要素を持ち合わせたサービスの提供
• 子供のイタズラ，誤動作をなくすようなシステム，デバ
イスの設計
• 縦方向（マンション内）での位置特定，防犯を可能に
• 独居老人のためのサービス，システムの設計
• 監視カメラを用いた防犯サービスの品質向上
第1回 西大津地域防犯実証実験
第1回 実証実験ネットワーク
第1回実証実験
-検証内容-
1. 子供の位置情報の認識
2. 危険信号の近隣住民への伝播の確認（近
接通信）
3. 危険信号の西尾研位置情報サーバへの伝
播の確認（E2E通信）
– 無線LAN基地局モードでのローミング
– （WOWnetでカバー可能範囲外に出た場合の動
作確認）
第２回 実証実験ネットワーク
Open VPN
データセンタ
アドホックネトワーク
インフラネットワーク
＜改良点＞
・Linuxによる基地局構築
・子供端末同士での直接通信が可能
・ マルチホップ通信が可能
・ トラフィック増加範囲を制限できる
＜課題＞
アドホックネットワークとインフラネットワークを両方話せる
ＩＰ層でのルーティングプロトコルの設計構築
第２回 実証実験 -検証内容• 第1回と同じく
– 子供の位置情報の認識
– 子供→基地局間の近接通信
– 子供→基地局→データセンタのE2E通信
• 第2回では
– アドホックネットワークを使った近接通信とＥ２
Ｅ通信の確立
• 子供→子供 間の近接通信
• 子供→ 子供→基地局のマルチホップ通信
第３回 実証実験 -検証内容• 第2回で行なったマルチホップネットワーク
– PCからPDAに移行
• Linux Zaurus + 無線LANカード
第４回 実証実験 -検証内容• 近隣の基地局間連携機構(Hawk Eye)の検
証
– 緊急信号を受信した基地局が，近隣の基地局に
インフラネットワークを用い再度事態を通知する
• 緊急信号に含まれる位置情報から「近隣基地局」をリ
ストアップ
• 無線がたまたま届かない，届いても人がいない基地
Hawk Eyeの実装
西大津地域防犯：これから．．．
• ＩＴの力を最大限利用し，地域で犯罪を防ぐシステムの実
現を目指す
• ハイブリッドネットワークの構築
– アドホック+インフラ
– IPv6 or VPN(IPv4)
• GPSに頼らない位置情報取得技術研究開発
• 今年度末までの到達点は
-様々な信号の送受信の実際の流れを実装
-位置検出方法，伝播方法の検証
-ＰＤＡで実装
• 今後を見込んで
– IPv6ベースの携帯端末によるヒトへのタギングの実現を目指す
大阪府街中防犯プロジェクト
u-シティ構想
• フェーズ1：ユビキタスKOBAN
• 大阪府企画室，立命，富士電機による
• 「街中見守りロボット」
– 街中の自動販売機ネットワークによるサービスと
– 携帯無線端末によるサービスの複合的協調
• 様々なサービスコンテンツのプラットフォームに
– 街中防犯，店舗案内，歩行者支援，観光，防災
– いまいるこの場所の情報をいまそれを必要とする人に
u-シティ構想に関する報道
2005/2/12 日経新聞
2005/2/19 読売新聞